DE2314015A1

DE2314015A1 - Signalverstaerker

Info

Publication number: DE2314015A1
Application number: DE19732314015
Authority: DE
Inventors: Lawrence Griffith Heller; Jun Norbert George Vogl
Original assignee: International Business Machines Corp
Current assignee: International Business Machines Corp
Priority date: 1972-04-03
Filing date: 1973-03-21
Publication date: 1973-10-18
Also published as: GB1371468A; CA981343A; US3789312A; JPS4925844A; DE2314015B2; FR2178874B1; JPS5248786B2; IT981192B; FR2178874A1; DE2314015C3

Description

Aktenzeichen der Anmelderin: BU 971 009

SignalVerstärker

Die Erfindung betrifft einen Signalverstärker mit einem als Schalter wirkenden Transistor.

Signalverstärker, bei denen Transistoren als aktive Elemente dienen, sind an sich bekannt. So ist beispielsweise in der US-Patenschrift 3 286 189 ein Signalverstärker mit einem Feldeffekttransistor beschrieben, dessen Verstärkung dadurch vergrößert wird, daß der Feldeffekttransistor anstelle einer durch einen Widerstand gebildeten Last mit einem weiteren Feldeffekttransistor belastet wird.

In der US-Patentschrift 3 564 290 ist eine logische Schaltung mit Feldeffekttransistoren beschrieben, bei der zwischen dem Gate und der Source des Feldeffekttransistors ein Kondensator angeordnet ist, um zu erreichen, daß das Gate dem Potential der Source folgt. Die Ladung des Kondensators wird gesteuert, um den Feldeffekttransistor leitend oder nichtleitend zu machen, so daß der Schaltkreis mit kleinen Spannungen betrieben werden kann.

In der US-Patentschrift 3 268 827 ist ein Verstärker mit einem Feldeffekttransistor beschrieben, bei dem eine hohe Verstärkung ohne Signalverzerrung in der Weise herbeigeführt wird, daß ein Feldeffekttransistor als Verstärker mit gemeinsamer Source und

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dem Gate als Signaleingang und ein zweiter Feldeffekttransistor als Verstärker mit gemeinsamem Gate und der Source als Signaleingang geschaltet ist. Dadurch erhält man eine Kaskardenverstärkerschaltung, bei der Feldeffekttransistoren sowohl im Ausgangskreis als auch im Eingangskreis des Verstärkers als aktive Elemente wirken.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, einen Verstärker zur Entdeckung und Verstärkung kleiner Signale anzugeben. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Verstärkerschaltung anzugeben, die von der Schwellwertspannung des darin benutzten aktiven Schaltelementes unabhänaig ist. Weiterhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, einen Signalverstärker anzugeben, dessen Ausgangssignal linear und derart vom Eingangssignal abhängt, daß eine lineare Verstärkuno erreicht wird. Schließlich ist es auch Aufgabe der Erfinduna, eine Verstärkerschaltung für kleine Signale anzugeben, die unabhängig von Toleranzschwankungen der verwendeten Halbleiterbauelemente eine lineare Verstärkung ergibt, und die in der Technik der integrierten Schaltungen leicht herzustellen ist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe bei einem Signalverstärker der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein mit dem Transistor in Reihe geschalteter Kondensator und ein im Ausgangskreis parallel zu der Reihenschaltung angeordneter Kondensator durch über taktgesteuerte Schalter zugeführte Spannungen unter Sperrung des Transistors aufladbar sind, und daß durch ein über die Steuerelektrode des Transistors zugeführtes Signal, das den Transistor leitend macht, ein von der Höhe des Signals beeinflußter Teil der Ladung des im Ausgangskreis liegenden Kondensators auf den anderen Kondensator überführbar ist.

Der erfindungsgemäße Signalverstärker ist ir vorteilhafter Weise so ausgebildet, daß eine Stromflußelektrode des Transistors über einen durch einen taktgesteuerten Schalter überbrückbaren Kondensator mit einem Bezugspotential verbunden ist, das an die andere

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Stromflußelektrode des Transistors, die über einen taktgesteuerten Schalter mit einer ersten Spannungscruelle verbindbar ist, der Signalausgang und über einen Kondensator ein Bezugpotential angeschlossen ist, und daß die Steuerelektrode des Transistors, an die über einen Kondensator der Signaleingang angeschlossen ist, über einen taktgesteuerten Schalter mit einer zweiten Spannungsquelle verbindbar ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausbildung des erfindungsgemSßen Signalverstärkers besteht darin, daß zur Herstellung der Betriebsbereitschaft des Verstärkers durch Aufladen des im Ausgangskreis liegenden Kondensators und des im Stromkreis des Transistors liegenden Kondensators die Schalter durch Taktimpulse derart steuerbar sind, daß in jedem Arbeitszyklus zunächst durch einen Taktimpuls der im Eingangskreis liegende Schalter und der den Kondensator überbrückende Schalter und durch einen längeren Taktimpuls der im Ausgangskreis liegende Schalter geschlossen werden.

Vorteilhaft ist es, daß der im Stromkreis des Transistors angeordnete Kondensator eine größere Kapazität aufweist als der im Ausgangskreis liegende Kondensator und daß die Spannung der im Eingangskreis liegenden Spannungsquelle kleiner ist als die Spannung der im Ausgangskreis liegenden Spannungsquelle, jedoch größer als die Schwellwertspannung des Transistors.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des Signalverstärkers besteht darin, daß der Transistor ebenso wie die die Ladung und Entladung der Kondensatoren steuernden Schalter als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind. Die Transistoren können jedoch auch als bipolare Transistoren ausgebildet sein.

Die Erfindung wird anhand eines durch die Zeichnungen erläuterten Ausführungsbeispieles beschrieben.

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Es zeigen:

Fig. 1 das schematische Schaltbild des Signalverstärkers

unter Verwendung von Feldeffekttransistoren, und

Fig. 2 ein Diagramm von Spannungen an verschiedenen

Punkten der Schaltung in einem Arbeitszyklus.

In Übereinstimmung mit der Feldef fektransistortechnik ist irr folgenden die dem Erdpotential benachbarte Elektrode des Feldeffekttransistors als Source oder als der Ladungsträger liefernde Anschluß bezeichnet, während die am höchsten vorgespannte Elektrode, d.h. die vom Erdpotential am weitesten entfernte Elektrode als Drain oder als die Ladungsträger aufnehmende Elektrode bezeichnet ist, und die dritte Elektrode, die den Schaltzustand des Feldeffekttransistors steuert, als Gate bezeichnet ist.

In Fig. 1 ist ferner angenommen, da!? alle Feldeffekttransistoren sogenannte N-Kanalfeldeffekttransistoren sind. Der verstärkende Feldeffekttransistor 10 ist mit seiner Source 11 über den Speicherkondensator Cs und dem zweitexi Feldeffekttransistor 12 mit Masse verbunden. Seine Gateelektrode 13 ist zum Signaleingang 14 über den Blockkondensator 15 und über den Feldeffekttransistor 16 mit einer positiven Reverenzspannungsquelle 17 verbunden. Die Drain 18 des Feldeffekttransistors 10 ist mit der Ausganasleitung 19 verbunden, die über den Feldeffekttransistor 20 mit der positiven Spannungsquelle 21 und den Kondensator Co mit Masse verbunden ist.

Die Gates 24 und 25 der Feldeffekttransistoren 12 und 16 sind mit einem (nicht dargestellten) Taktimpulsgenerator 0-1 verbunden, während das Gate des Feldeffekttransistors 20 mit einer anderen (nicht dargestellten) Taktimpulsquelle 0-2 verbunden ist.

Als Beispiel sei angenommen, daß die beschriebenen Feldeffekt-BU 971 009 309842/1078

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transistoren N-Kanal-Anordnungen sind mit einem Breite-zu-Länge-Verhältnis von 1, einer Beweglichkeit von ungefähr 4OO cm/V-sec. einer Schwellwertspannung von ungefähr 1 V und einer FET-Steilheit von ungefähr 30 Micro ohm/V. Mit diesen Bauelementen beträgt die Größe des Kondensators Cs vorzugsweise ungefähr 10 pF und des Kondensators Co ungefähr 0,5 pF. Die Spannungsquelle 21 liefert eine positive Spannung von ungefähr 10 V_f während die Referenzspannungsquelle 17 eine positive Spannung von ungefähr 4 V liefert. Die Impulse der beiden Taktimpulsquellen 0-1 und 0-2 betragen ungefähr 12 V. Mit den beschriebenen Bauelementen werden positive Eingangssignale verstärkt.

Die Wirkungsweise der in Fig. 1 dargestellten Schaltung wird in Verbindung mit den in Fig. 2 gezeichneten Spannungen beschrieben. Zur Zeit T-O sind die Transistoren 12 und 16 eingeschaltet durch Anlegen des Taktimpulses 0-1 an ihre Gates, und der Transistor 20 ist ebenfalls eingeschaltet, da der Taktimpuls 0-2 an seinem Gate anliegt. Die Taktimpulse befinden sich auf relativ hohen Spannungspegeln, um sicherzustellen, daß die Transistoren 12, 16 und 2O nicht in der Sättigung betrieben werden.

Wenn der Transistor 20 einschaltet, wird die Spannung der Spannungsquelle 21, in diesem Falle +1OV, der Ausgangsleitung 19 zugeführt, deren Potential auf den durch die Kurve 3O dargestellten Wert unter Ladung des Kondensators Co ansteigt. Wenn der Transistor 12 einschaltet, wird der Kondensator Cs entladen, und wenn der Transistor 16 einschaltet, wird das Gate 13 des Feldeffekttransistors 10 auf die durch die Bezugsspannungsquelle 17 gelieferte Spannung vorgespannt, wie dies in der Kurve 31 der Fig. 2 dargestellt ist. Für die beschriebenen Bauelemente liegt das Gate 13 ungefähr bei 4 V, wenn die Bezugsspannungsquelle 17 4 V beträgt. Diese Spannung am Gate 13 bewirkt, daß das Gate 13 positiver ist als die Source 11 um mindestens die Schwellwertspannung, und weniger positiv ist als die Drainspannung. Daher wird der Feldeffekttransistor 10 leitend im Sättigungsbereich.

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Zur Zeit T-I verschwindet der Taktimpuls 0-1 mit der Wirkung, daß die Transistoren 12 und 16 gesperrt werden. Da das Gate 13 durch den Blockkondensator 15 vom Eingang getrennt ist, hält sich das Gate auf der Referenzspannung, selbst wenn es jetzt durch die Sperrung des Transistors 16 von der Spannungsauelle 17 getrennt ist. Dadurch bleibt das Gate 13 positiver als die Source 11 um mehr als eine Schwellwertspannung, und der Feldeffekttransistor 10 bleibt im leitenden Zustand. Wenn der Transistor 12 gesperrt wxrd, beginnt die Ladung des Kondensators Cs auf eine Spannung, die der Spannung am Gate 13 (4 V) abzüglich der Schwellwertspannung des Transistors 10 (ungefähr 1 V) entspricht. Entsprechend wird der Kondensator Co auf die volle Spannung der Spannungsquelle 21 aufaelaöen. In Fic. 2 ist die Aufladung des Kondensators Cs durch die Kurve 32 und die Aufladung des Kondensators Co durch die Kurve 29 dargestellt.

Wenn der Kondensator Cs seine Spanning erreicht, d.h. die Gatespannung (4 V) abzüglich der Schwellwertspannung (unaefähr 1 V) des Transistors 10, wird der Traneistor 10 gesperrt, da das Gate 13 nunmehr nicht mehr positiver ist als die Source 11 als eine Schwellwertspannung. Zu einer bestimmten Zeit T-2, nachdem der Kondensator Cs vollgeladen ist, verschwindet der Taktimpuls 0-2, wobei der mit der Ausgangsiej tune 19 verbundene Kondensator Co vollgeladen bleibt. Die Leitung 19 und der Kondensator Co bleiben geladen, da sie von der Spannunasauelle 21 durch den Transistor 20 und vom Kondensator Cs durch den Transistor 10 getrennt sind.

Die Schaltung bleibt in diesem Znstand, in welchem der Transistor 10 leitend werden kann, sobald die Spannung am Gate 1.3 ansteigt.

Zur Zeit T-3 wird ein kleiner Eingangsimpuls AV von beispielsweise ungefähr 100 mV an den Eingang 14 angelegt. Dieser kleine Eingangsimpuls kann beispielsweise ein Ausgfmqsimpuls von einem integrierten Halbleiterspeicher sein. Dieser Einganasimpuls stellt einen Zuwachs zu der Gate-Scannunaskurve 31 dar und ist in Fig. 2 durch die Kurve 3 3 dargestellt. Dieser SpannunasZuwachs

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am Gate 13 des Transistors 10 bewirkt, daß der Transistor 10 wieder leitend wird. Dies geschieht deshalb, weil die Gate-Spannung wieder positiver ist als die Sourcespannung einschließlich des Schwellwertes.

Wenn der Transistor 10 einschaltet, steigt die Ladung des Kondensators Cs wieder an bis zum positiveren Wert des Gates 13. Dies ist in Fig. 2 durch die die Kurve 32 überlagernde Kurve 34 dargestellt.

Da der Kondensator Cs ungefähr 20mal größer (10 pF) als der Kondensator Co (0,5 pF) ist, wird nunmehr der Kondensator Co zum größten Teil entladen, wobei das Potential auf der Ausgangsleitung 19 entsprechend sinkt. D.h., daß die Änderung der Ausgangsspannung, dem Eingangssignal proportional ist.

In dem beschriebenen Beispiel, in welchem Cs = lOpF, Co = 0,5pF und das Eingangssignal 100 mV sind, würde die Änderung auf der Ausgangsleitung 2000 mV betragen. Damit wird das Eingangssignal invertiert und um den Faktor 20 verstärkt.

Nach der Verstärkung eines Eingangssignals muß die Schaltung durch erneutes Anlegen der Taktimpulse 0-1 und 0-2 an die Gates der Transistoren 12, 16 und 20 und Wiederholung des beschriebenen Arbeitszyklus zurückgestellt werden.

Durch das überführen der Ladung auf den Kondensator Cs in der beschriebenen Weise arbeitet die Schaltung auch, wenn für den verstärkenden Transistor 10 Feldeffekttransistoren mit anderen Schwellwertspannungen verwendet werden.

Es ist ferner offensichtlich, daß auch P-Kanal-Feldeffekttransistoren verwendet werden können. In diesem Falle ist es notwendig, daß die Polarität der angelegten Spannungen umgekehrt wird.

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Die Erfindung wurde zwar an einem Beispiel mit Feldeffekttransistoren beschrieben; die Schaltung arbeitet jedoch auch, wenn PNP und NPN bipolare Transistoren anstelle der Feldeffekttransistoren verwendet werden.

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Claims

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PATENTANSPRÜCHE

,·■ Iy Signalverstärker mit einem als Schalter wirkenden Transistor, dadurch gekennzeichnet, daß ein mit dem Transistor (10) in Reihe geschalteter Kondensator (Cs) und ein im Ausgangskreis (19) parallel zu der Reihenschaltung angeordneter Kondensator (Co) durch über taktgesteuerte Schalter (12, 16, 20) zugeführte Spannungen unter Sperrung des Transistors (10) aufladbar sind, und daß durch ein über die Steuerelektrode (13) des Transistors zugeführtes Signal, das den Transistor leitend macht, ein von der Höhe des Signals beeinflußter Teil der Ladung des im Ausgangskreis liegenden Kondensators (Co) auf den anderen Kondensator (Cs) überführbar ist.
2. Signalverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Stromflußelektrode (11) des Transistors (10) über einen durch einen taktgesteuerten Schalter (12) überbrückbaren Kondensator (Cs) mit einem Bezugspotential verbunden ist, daß an die andere Stromflußelektrode (18) des Transistors (10), die über einen taktgesteuerten Schalter (20) mit einer ersten Spannungsouelle (21) verbindbar ist, der Signalausgang (19) und über einen Kondensator (Co) ein Bezugspotential angeschlossen ist, und daß die Steuerelektrode (13) des Transistors (10).an die über einen Kondensator (15) der Signaleingang (14) angeschlossen ist, über einen taktgesteuerten Schalter (16) mit einer zweiten Spannungsguelle (17) verbindbar ist.
3. Signalverstärker nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung der Betriebsbereitschaft des Verstärkers durch Aufladen des im Ausgangskreis liegenden Kondensators (Co) und des im Stromkreis des Transistors (10) liegenden Kondensators (Cs) die Schalter

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(12, 16, 20) durch Taktimpulse derart steuerbar sind, daß in jedem Arbeitszyklus zunächst durch einen Taktimpuls (0-1) der im Eingangskreis liegende Schalter (16) und der den Kondensator (Cs) überbrückende Schalter (12) und durch einen längeren Taktimpuls (0-2) der ir Ausgangskreis liegende Schalter (20) geschlossen werden.
4. Signalverstärker nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der im Stromkeis des Transistors (10) angeordnete Kondensator (Cs) eine gröPere Kapazität aufweist als der im Ausgangskreis liegende Kondensator (Co).
5. Signalverstärker nach den Ansprüche In 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannung der im Einaangskreis (13) liegenden Spannungsquelle (17) kleiner ist als die Spannung der im Ausgangskreis (19) liegenden Spannungsauelle (21), jedoch größer ist als die Schwellwertspannung des Transistors (10).
6. Signalverstärker nach den Ansprüchen 1 bis 5_f dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (10) sowie die die Ladung und Entladuno der Kondensatoren (Cs, Co) steuernden Schalter (12, 16, 20) als Feldeffekttransistoren ausgebildet sind.
7. Signalverstärker nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Transistor (10) sowie die die Ladung und Entladung der Kondensatoren (Cs, Co) steuernden Schalter (12, 16, 20) als bipolare Transistoren ausgebildet sind.

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